第三章计算机中的逻辑运算与逻辑部件精选PPT.ppt
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1、第三章计算机中的逻辑运算与逻辑部件第1页,本讲稿共50页3.1 逻辑代数与基本逻辑运算 逻辑代数是逻辑代数是1847年由英国数学家乔治年由英国数学家乔治布尔(布尔(George Boole)首先首先创立的,所以通常人们又称逻辑代数为布尔代数。创立的,所以通常人们又称逻辑代数为布尔代数。逻辑代数与普通代数有着不同的概念,其所表示的不是数值之逻辑代数与普通代数有着不同的概念,其所表示的不是数值之间的大小关系,而是逻辑函数与逻辑变量之间所存在的逻辑关间的大小关系,而是逻辑函数与逻辑变量之间所存在的逻辑关系与逻辑规律。系与逻辑规律。逻辑规律表示了一种因果关系,如逻辑规律表示了一种因果关系,如“真真”与
2、与“假假”、“有有”和和“无无”、“是是”与与“非非”、“开开”与与“关关”等,这些逻辑关系的一等,这些逻辑关系的一个共同点是它们仅有两种状态,即:个共同点是它们仅有两种状态,即:0和和1,因此又称为,因此又称为二值逻辑。二值逻辑。第2页,本讲稿共50页它们通常反映在逻辑电路上则是电路的它们通常反映在逻辑电路上则是电路的“通通”与与“断断”、反映在电信号上则是信号电平的反映在电信号上则是信号电平的“髙髙”与与“低低”,所以把,所以把这种工作在二值(这种工作在二值(0、1)状态下的电路称为数字逻辑电)状态下的电路称为数字逻辑电路。逻辑代数是分析和设计数字逻辑系统的数学基础,路。逻辑代数是分析和设
3、计数字逻辑系统的数学基础,而数字逻辑电路则是构成计算机硬件核心电路的主要而数字逻辑电路则是构成计算机硬件核心电路的主要部分。部分。逻辑代数是指:用逻辑代数是指:用0和和1两个基本的数字符号表示逻辑常两个基本的数字符号表示逻辑常量,用取值只能为量,用取值只能为0或或1的任何字母符号表示逻辑变量,的任何字母符号表示逻辑变量,用用“与与”、“或或”、“非非”等基本逻辑符号表示运算等基本逻辑符号表示运算关系所构成的代数系统。关系所构成的代数系统。逻辑代数的自变量取值只有逻辑代数的自变量取值只有0和和1(非(非0即即1)两个数,)两个数,同样逻辑函数的取值也只有同样逻辑函数的取值也只有0和和1(非(非0
4、即即1)两个数,自)两个数,自变量就是逻辑变量,这种函数就是逻辑函数。变量就是逻辑变量,这种函数就是逻辑函数。第3页,本讲稿共50页3.1.1 基本逻辑门电路 逻辑门是描述数字逻辑电路的最基本单元部件,是计算机硬件电路逻辑门是描述数字逻辑电路的最基本单元部件,是计算机硬件电路的基础;由于它的结构与逻辑函数中描述的自变量乘积项及函数逻辑关的基础;由于它的结构与逻辑函数中描述的自变量乘积项及函数逻辑关系相对应,所以能够实现计算机中的运算、控制、数据存储等功能部件系相对应,所以能够实现计算机中的运算、控制、数据存储等功能部件的逻辑电路描述。基本逻辑门电路有的逻辑电路描述。基本逻辑门电路有与门与门电路
5、电路 或门或门电路和电路和非非门门电路。常用的逻辑门电路还有电路。常用的逻辑门电路还有与非门与非门电路电路 与或门与或门电路电路 与或非门与或非门电路电路 异或门异或门 电路电路 同或门同或门 电路电路 三态门三态门电路等。电路等。在逻辑门电路中,任何信号只存在两种状态,即高电平和低电平;通常在逻辑门电路中,任何信号只存在两种状态,即高电平和低电平;通常以高电平来表示逻辑以高电平来表示逻辑1(正逻辑)、以低电平来表示逻辑(正逻辑)、以低电平来表示逻辑0(负逻辑)。(负逻辑)。第4页,本讲稿共50页(1)逻辑“与”运算和“与门”电路逻辑“与”又称为逻辑“乘”运算。运算符号:“”,“”,“”,“A
6、ND”等。逻辑表达式:L=AB=B=A B=与门电路符号:与门电路:能实现逻辑与功能的数字电路单元真值表:两个输入变量的四种组合与其对应的输出变量之间的关系。A B L=AB0 0 00 1 01 0 01 1 11 (A、B均为1)0 (A、B中任一为0)ABL第5页,本讲稿共50页(2)逻辑“或”运算和“或门”电路逻辑“或”又称为逻辑加运算。运算符号:“+”、“”、“OR”等。逻辑表达式:L=A+B=AB=或门电路符号:逻辑真值表:A B L=A+B0 0 00 1 11 0 11 1 1LAB1 (A、B中任一为1)0 (A、B均为0)第6页,本讲稿共50页(3)逻辑“非”运算和“非门”
7、电路逻辑“非”又称为逻辑反运算.运算符号:“”(上横线)逻辑表达式为:L=非门电路符号:逻辑真值表:A L0 11 0A A1 (A=0)0 (A=1)L第7页,本讲稿共50页(4)常用的组合逻辑门 在数字系统中,除了基本的“与”运算、“或”运算、“非”运算之外,为了方便逻辑关系的描述常常使用一些通过这三种基本逻辑运算关系派生出来的逻辑运算关系,这种派生出来的逻辑运算通常被称为复合运算,常见的复合运算有:与非、或非、同或及异或等。还有很多的组合逻辑门电路,如:全加器、译码器、编码器、多路选择器等等第8页,本讲稿共50页3.1.2 基本运算规律和公式基本运算:加:A+0=A,A+1=1,A+A=
8、A,A+A=1乘:A0=0,A1=A,AA=A,AA=0非:A+A=1,AA=0,A=A基本公式:吸收律,分配律,交换律,结合律,反演律第9页,本讲稿共50页#吸收律:A+AB=A证明:A+AB=A(1+B)=A1=A A(A+B)=A证明:AA+AB=A+AB=A A+AB=A+B证明:A+AB=A+AB+AB=A+(A+A)B=A+1B=A+B第10页,本讲稿共50页#分配律:A(B+C)=AB+AC (A+B)(A+C)=A+BC 证明:(A+B)(A+C)=A A+A C+B A+B C =A(1+C+B)+B C =A+B C第11页,本讲稿共50页#交换律:A+B=B+A AB=B
9、A#结合率:(A+B)+C=A+(B+C)(A B)C=A(B C)#反演律:ABC=A+B+C A+B+C=A B C 第12页,本讲稿共50页3.2 逻辑函数的三种表示法1逻逻辑辑真真值值表表:将逻辑函数输入(逻辑变量)与输出(函数取值)之间的所有组态关系用数字符号以并列的形式表示出来的表格。这是一种将具体问题的描述转变为逻辑关系的描述的有效工具,也是获得严谨的逻辑函数表达式的最有效方法。2逻逻辑辑函函数数表表达达式式:用与、或、非等基本的逻辑运算关系符和逻辑常量、逻辑变量所组成的表示逻辑函数的数学表达式。形式简洁明了,便于书写和推演变换,根据真值表可以列出其逻辑表达式。3卡诺图卡诺图:n
10、个变量的函数可以由2n个方格构成的平面方格图来表示,每个方格代表逻辑函数中的一个最小项,而任何一个逻辑函数都可以表示成“最小项之和”的形式,因此通过方格阵列可清楚的反映出函数所有最小项之间的关系,这个平面方格图就是卡诺图。利用卡诺图中表示最小项的方格之间的相邻、相对、相重的位置关系进行最小项合并是进行逻辑函数化简的最直接、最有效的方法。第13页,本讲稿共50页321 逻辑真值表 1、真值表:由逻辑变量的所有可能取值的组合及其对应的逻辑函数值所构成的表格。例:有一个3位二进制数ABC,列出ABC中出现奇数个1的逻辑关系。解:3位二进制数ABC共有8种组合状态,分别定义为m0m7;它们的奇偶性定义
11、为函数F,其中F0表示呈偶性,F1表示呈奇性,将ABC全部的组态关系以及对应的F取值以表格的形式表示出来。该表称为逻辑函数F的真值表。NoA B CFm00 0 00m10 0 11m20 1 01m30 1 10m41 0 01m51 0 10m61 1 00m71 1 11注意:真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值及其所对应的函数取值,不能有遗漏。(二个注意:真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值及其所对应的函数取值,不能有遗漏。(二个注意:真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值及其所对应的函数取值,不能有遗漏。(二个注意:真值表必须列出逻辑变量所有可能的取值及其所对应的函数取值,不能有遗漏。
12、(二个变量有变量有变量有变量有2 22 2=4=4、三个逻辑变量有、三个逻辑变量有、三个逻辑变量有、三个逻辑变量有2 23 3=8=8、四个变量有、四个变量有、四个变量有、四个变量有2 24 41616、n n个变量有个变量有个变量有个变量有2 2n n种可能的取值种可能的取值种可能的取值种可能的取值)。)。)。)。第14页,本讲稿共50页3.2.2 逻辑表达式:由逻辑变量、逻辑常量和运算符组成的表达式。由逻辑变量、逻辑常量和运算符组成的表达式。它是逻辑变量的函数,也是设计逻辑电路的根据。它是逻辑变量的函数,也是设计逻辑电路的根据。根据真值表可以列出逻辑表达式。根据真值表可以列出逻辑表达式。方
13、法是:方法是:把真值表中所有使函数值为把真值表中所有使函数值为1 1的自变量组合项的自变量组合项 “或或”起来。每一项(最小项)是逻辑变量的本身或其起来。每一项(最小项)是逻辑变量的本身或其 非的与运算。如果变量是非的与运算。如果变量是1 1取其本身;是取其本身;是0 0则取变量的则取变量的 非值非值 例如,上页例题中的逻辑表达式为:例如,上页例题中的逻辑表达式为:F=1:F=1:F(A,B,C)=m(1,2,4,7)=ABC+ABC+ABC+ABC F(A,B,C)=m(1,2,4,7)=ABC+ABC+ABC+ABC F=0:F=0:F(A,B,C)=m(0,3,5,6)=ABC+ABC+
14、ABC+ABC F(A,B,C)=m(0,3,5,6)=ABC+ABC+ABC+ABC由于逻辑表达式进行化简需要较强的技巧,不熟练者很难判断,由于逻辑表达式进行化简需要较强的技巧,不熟练者很难判断,第15页,本讲稿共50页323卡诺图(Karnaugh Map)卡诺图是逻辑函数的另一种表示形式,它是一种以图形形式来表达逻辑关系的方法,也是将逻辑函数进行逻辑化简的一种最有效的手段。用卡诺图化简逻辑函数,不但具有简单、直观、方便的特点,而且还较容易的判断出得到结果是否为最简的形式。用卡诺图表示逻辑函数,是将该逻辑函数的每一个最小项取值,按照一定规则填入到所对应的平面方格矩阵内,这个平面方格矩阵图就
15、称为卡诺图。第16页,本讲稿共50页 卡诺图是一种直观的平面方块图。它根据输入变量的数量n将平面划分为2n 个方格,用来表示全部输入变量组合项或者表示全部输出项。与真值表有些相似,但是和真值表的自变量取值变化的最大不同在于:自变量的取值是按照它们取值之间的最小跳越关系进行排列,即在左边和上边的自变量取值中只能有一个变量的取值是变化(相反)的,其余的保持不变。卡诺图坐标点上的自变量取值可以不连续,但要保持最小跳跃。小方格中所填写的是:根据行列坐标点上自变量的取值关系,找出在逻辑表达式中对应的最小项的位置,在相应的小方格中填写1;即小方格中填写那些使得逻辑函数在所对应的行列坐标点上取值为1的项。卡
16、诺图的书写规则:第17页,本讲稿共50页二维卡诺图 输入为X1、X2,输出为 F。左下图为真值表,右下图为卡诺图。卡诺图左边和上边书写自变量的可能取值,中间则表明 Mi最小项。最小项即一行真值表中各自变量或其“非”的逻辑乘积项。NO X1 X2 FM0 0 0 F0M1 0 1 F1M2 1 0 F2M3 1 1 F3X101X20 1M0M1M2M3第18页,本讲稿共50页三维卡诺图输入为X1、X2、X3,输出为 F。左下图为真值表,右下图为卡诺图。卡诺图的左边上边书写自变量的可能取值,规则是最小跳跃。中间则表明最小项。NO X1 X2 X3 FM0 0 0 0 F0M1 0 0 1 F1M
17、2 0 1 0 F2M3 0 1 1 F3M4 1 0 0 F4M5 1 0 1 F5M6 1 1 0 F6M7 1 1 1 F7 M0 M1 M2 M3 M6 M7 M4 M5X1X2X30 100 011110第19页,本讲稿共50页 CDAB0001111000M0M1M3M201M4M5M7M611M12M13M15M1410M8M9M11M10四维卡诺图输入为A、B、C、D,输出为F。卡诺图的左边上边书写自变量的可能取值,规则是最小跳跃。中间则表明最小项。第20页,本讲稿共50页请用卡诺图表示下列函数1、F(A,B,C)=ABC+ABC+ABC+ABC CAB010001111111
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